Introducción
En la formación de un ingeniero mecánico,
las disciplinas que tiene que manejar son:
Las matemáticas como instrumento de
trabajo.La física como base de la
ingeniería.La mecánica del sólido rígido,
desde el punto de vista estático, cinemático y
dinámico.La mecánica del sólido deformable o
resistencia de materiales.La mecánica de fluidos.
La termodinámica.
La transmisión de calor.
La mecánica de fluidos constituye la base sobre
la que se desarrolla la asignatura de Ingeniería
fluidomecánica. La mecánica de fluidos estudia los
comportamientos de los fluidos, tanto en reposo
(estática), como en movimiento
(dinámica).
¿Qué es un fluido? ; Se define por fluido
como cualquier sustancia que se deforma continuamente y
permanentemente bajo la aplicación de un esfuerzo de corte
(tangencial), aún cuando este esfuerzo sea infinitesimal.
Denominando esfuerzo a la relación entre la fuerza
superficial aplicada y el área donde
actúa.
¿Qué son esfuerzos de corte?. En la
naturaleza, la materia puede interaccionar con dos tipos de
fuerzas, las fuerzas másicas, que actúan
en toda la materia, y no existe contacto entre la fuerza y la
materia, esta interacción se debe a campos de fuerzas,
como por ejemplo, las fuerzas debidas a los campos gravitatorios
(peso), las fuerzas que aparecen en los conductores en presencia
de campos de fuerza electromagnéticos, etc.. Y las
fuerzas de superficie, en donde existe un contacto
físico entre la materia y la fuerza que interacciona. Este
tipo de fuerza es el que interesa en nuestro estudio.
Si cogemos arbitrariamente una superficie en el
espacio:
Y le aplicamos una fuerza arbitraria, la podemos
descomponer ésta en coordenadas cartesianas, en tres
componentes, dos componentes tangenciales a la superficie, y otra
normal a la superficie, en la misma dirección que el
vector superficie.
Por tanto si esto lo aplicamos, tanto a un sólido
como a un fluido, vamos a ver que ocurre:
– En un sólido, si aplico una fuerza superficial,
el efecto que se ve, es que se deforma, y cuando cesa, vuelve a
su posición original. Es decir un sólido aguanta
las fuerzas tangenciales, o fuerzas de corte, y las fuerzas
normales, tanto de compresión como de tracción sin
que se produzca una deformación permanente o continua
(siempre que no sobrepase unos ciertos límites -.
límite elástico del material .-).
– En un líquido, si se aplica una fuerza
superficial el efecto que se ve, es el siguiente, aguanta sin
deformarse solamente las fuerzas normales de compresión,
pero no así las de tracción, y si se aplica una
fuerza tangencial, se deforman continuamente.
– En un gas, si se aplica una fuerza superficial el
efecto que se ve, es el siguiente, no aguanta sin deformarse las
fuerzas normales de compresión y tracción, y si se
aplica una fuerza tangencial, se deforma
continuamente.
Por lo tanto el estudio de la mecánica de fluidos
se aplica a sustancias cuyas fases correspondientes son los
líquidos y los gases.
Fenomenología. En las sustancias existen dos
tipos de fuerzas intermoleculares:
De cohesión entre moléculas de la
misma sustancia.De adherencia entre moléculas de sustancias
en diferentes fases o en la misma fase, pero no
miscibles.En los sólidos, las fuerzas de
cohesión son elevadas y en las tres direcciones
espaciales. Cuando aplicamos una fuerza solo permite
pequeños desplazamientos de las moléculas entre
si, cuando cesa la fuerza exterior, las fuerzas de
cohesión vuelven a colocar las moléculas en su
posición inicial.En los líquidos, las fuerzas de
cohesión son elevadas en dos direcciones espaciales, y
entre planos o capas de fluidos son muy débiles. Por
otra parte las fuerzas de adherencia con los sólidos
son muy elevadas. Cuando aplicamos una fuerza tangencial al
líquido, este rompe sus débiles enlaces entre
capas, y las capas de líquido deslizan unas con otras.
Cuando cesa la fuerza, las fuerzas de cohesión no son
lo suficiente fuertes como para volver a colocar las
moléculas en su posición inicial, queda
deformado. La capa de fluido que se encuentra justo en
contacto con el sólido, se queda pegada a éste,
y las capas de fluido que se encuentran unas juntas a las
otras deslizan entre sí.En los gases, las fuerzas de cohesión son
despreciables, las moléculas se encuentran en
constante movimiento. Las fuerzas de adherencia con los
sólidos y los líquidos son
importantes.
Al aplicarse una fuerza de corte, se aumenta la
velocidad media de las moléculas. Como estas
partículas con más velocidad media (más
cantidad de movimiento) se mueven en el espacio, algunas pasan a
las capas contiguas aumentando a su vez la velocidad media de
esas capas adyacentes, estas a su vez con una cantidad de
movimiento más pequeña, algunas de sus
partículas pasan a la capa de mayor cantidad de movimiento
(afectada por el esfuerzo de corte) frenándola.
Como podemos comprobar en la vida cotidiana, estas fases
de la materia, se aplican a casi todos los campos de la
técnica:
– Máquinas de fluidos: Bombas y
Turbinas.
– Redes de distribución.
– Regulación de máquinas.
– Transmisiones de fuerza y controles hidráulicos
y neumáticos.
– Acoplamientos y cambios de marcha.
Primera
clasificación de los fluidos
Como hemos visto los fluidos se pueden clasificar
según en que fase se encuentren:
a) Líquidos:
– Tienen volumen definido.
– Poseen superficie libre.
– Son prácticamente incompresibles.
– No soportan esfuerzos normales de
tracción.
b) Gases:
– Se adaptan al volumen que ocupan.
– No tienen superficie libre.
– Se comprimen con facilidad.
– No soportan esfuerzos normales de tracción ni
de compresión.
Propiedades de
los fluidos
Las propiedades son características
macroscópicas de un sistema tales como la masa, volumen,
etc., a las que se le puede asignar un valor numérico en
un instante dado, sin que haga falta saber que le ha ocurrido al
sistema con anterioridad.
Podemos definir el estado de un fluido, mediante las
propiedades definidas en física, como:
Adimensional.
– Temperatura (T); propiedad que nos define el estado
térmico de un cuerpo.
Unidades S.I. el Kelvin (K).
– Presión (p); es la fuerza normal por unidad de
superficie. Es el denominado esfuerzo normal.
Unidades S.I. el Pascal (Pa) = N/m2 = kg/m*s2. Unidades
S.T. kp/m2.
Una propiedad particularmente interesante es:
Por definición de fluido sabemos que es una
sustancia que se deforma continuamente, cuando se aplica un
esfuerzo tangencial por muy pequeño que sea éste.
En ausencia de esfuerzo de corte, por tanto, no habrá
deformación.
Los fluidos pueden clasificarse de manera general de
acuerdo con la relación entre el esfuerzo de corte
aplicado y la relación de deformación.
– La ley de Newton para la viscosidad:
La resistencia que opone un fluido depende de la
velocidad a que realizamos la deformación. (Efecto del
tarro de mermelada).
Supongamos un fluido que se mueve con relación a
un contorno.
La lámina de fluido en contacto con el
sólido queda pegado al mismo, y su velocidad relativa es
nula.
A cierta distancia del contorno otra lámina
tendrá prácticamente la velocidad "u" (velocidad
máxima), y las láminas intermedias tendrán
velocidades intermedias.
Demostración:
Siendo este último término la velocidad de
deformación angular.
Por lo que el esfuerzo cortante es proporcional a la
velocidad de deformación angular, y como esta es igual a
la relación de velocidad tangencial entre distancia
normal, podemos decir que el esfuerzo cortante es a la vez
proporcional a esta relación.
La experiencia diaria demuestra que los fluidos oponen
una resistencia a ser deformados.
Esta resistencia es diferente para cada
fluido.
El ensayo S.A.E. consiste en medir las viscosidades
cinemáticas a diferentes temperaturas (- 18ºC y
98ºC). Así por ejemplo, tenemos aceites 5W,
30W.
– Causas que originan la viscosidad:
a) Cohesión molecular:
En los líquidos la viscosidad es originada por la
cohesión molecular, enlaces débiles entre
moléculas, que hay que romper para que una lámina
de fluido pueda ir más rápida que la otra. Por
tanto al aumentar la temperatura la viscosidad absoluta
disminuye, y al aumentar la presión aumenta.
b) Intercambio de la cantidad de movimiento entre
partículas:
En los gases la viscosidad es originada por el
movimiento caótico de las moléculas, que chocan
unas con otras, (existe un intercambio de cantidad de
movimiento), por lo que en el ámbito macroscópico
vemos una relentización del movimiento. Por tanto cuando
aumenta la temperatura aumenta la viscosidad absoluta, y al
aumentar la presión, también, aumenta.
– Compresibilidad.
La variación de volumen que sufre un fluido
cuando varía su presión, tiene un valor determinado
si se miden siempre en las mismas condiciones.
El origen de la tensión superficial puede
explicarse de la siguiente manera:
– Una molécula situada en el interior del fluido,
es atraída por igual en todas direcciones por las
moléculas adyacentes y se encuentran en
equilibrio.
– Por el contrario las moléculas que se
encuentran cerca de la superficie (distancias del orden de 10-6
mm), el equilibrio se rompe, porque las moléculas son
atraídas más por las moléculas del
líquido que por las del aire.
Este fenómeno origina una fuerza resultante hacia
el interior del fluido.
Un fenómeno derivado de la tensión
superficial es el menisco o fenómeno de
capilaridad, éste es un fenómeno que se da en
los líquidos, y es debido al efecto de las fuerzas de
adherencia que existe entre estos y los sólidos, y las
fuerzas de cohesión del propio líquido. Así,
cuando las fuerzas de adherencia son mayores que las fuerzas de
cohesión el líquido tiende a subir en un tubo
capilar, y viceversa.
Se denomina ángulo de contacto, al
ángulo formado entre la tangente a la superficie libre del
líquido y la tangente a la superficie del sólido
adyacente, en el punto de contacto.
Con el ángulo de contacto y la tensión
superficial se puede estudiar la fenomenología del menisco
o ascenso capilar.
– Presión vapor.
Es otra propiedad, que poseen los líquidos. A
través de la superficie libre de los líquidos, hay
un constante movimiento de partículas que se escapan, si
está encerrado con un espacio libre encima, la
evaporación tiene lugar hasta que el espacio queda
saturado de vapor.
Si aumentamos la temperatura se evapora más
líquido y la presión vapor aumenta.
Si disminuye la temperatura se condensa parte del vapor
y la presión vapor disminuye.
Esta propiedad se ha de tener en cuenta en los sistemas
hidráulicos, ya que puede aparecer un fenómeno
pernicioso, denominado cavitación, que consiste
en la evaporación de un líquido dentro de un
sistema hidráulico, cuando la presión del
líquido es inferior a la presión vapor se evapora
súbitamente el líquido, estas burbujas de vapor
formadas, cuando alcanzan una zona de presión superior a
la presión vapor se condensan instantáneamente, y
el volumen que ocupaban, se rellena violentamente con el
líquido adyacente, produciendo presiones puntuales muy
elevadas (sobre los 1000 bar), con lo que si se encuentran cerca
de una superficie sólida, arrancan material de ella
produciendo un desgaste prematuro del material.
4. – Segunda clasificación de los
fluidos.
5. – Descripción y clasificación de los
movimientos de los fluidos.
Los flujos de fluidos los podemos clasificar
en:
a) Flujos viscosos (viscosidad distinta de
cero).
b) Flujos no viscosos (viscosidad nula).
Dentro de los flujos viscosos podemos clasificarlos
como:
a1) Flujo laminar, en donde existe un movimiento
continuo del fluido en láminas o capas.
a2) Flujo turbulento, en donde existe un movimiento
tridimensional al azar.
Enviado por:
Pablo Turmero